Nə etmək lazımdır

Mikrotexnologiyadan nanotexnologiyaya keçid

Elmin və texnologiyanın, maddi və instrumental bazanın, metroloji təminatın inkişafındakı irəliləyiş element və qurğuların ölçülərinin nanometrlik diapazonun mənimsənilməsinə və nanotexnikaya və nanotexnologiyaya keçidə gətirdi. Nanotexnologiyanın və nanotexnikanın xüsusi bilik oblastına ayrılması müəyyən səbəblərlə bağlıdır. XX əsrin ortalarında elmin və texnologiyanın inkişafı elmi-texniki inqilabın növbəti dövrü üçün şəraitlər yaratdı. Fraktal həndəsə və fraktal fizika, kompüter optikası, qeyri-xətti dinamika və determinli xaos və bir sıra başqa elmlərin əsası qoyuldu. Əvvəllər riyaziyyatçıların və fiziklərin dar dairəsi üçün əlçatan olan biliklər təcrübədə tətbiq edilməyə başladı. Zaman sıralarının təhlili əsasında müxtəlif obyektlərin xaotik dinamikasının öyrənilməsinə, özünəbənzərlik və miqyaslı invariantlıq haqqında təsəvvürlər əsasında onların xassələrinin öyrənilməsinə maraq yarandı ki, buna kompüter texnikasının inkişafı xeyli dərəcədə təkan verdi.

Elmi cəmiyyət nanoaləmin, yaxud mezoaləmin – maddənin mezoskopik təbiət aləminin öyrənilməsinə ciddi şəkildə başladı. Fizika, kimya və biologiya ölçüləri nanometrlik şkala hədlərində ölçülən obyektləri və strukturları intensiv tədqiq etməyə başladı ki, bu da “nanoaləm”, “nanozərrəciklər”, “nanostrukturlar”, “nanokompozitlər” və “nanotexnologiya” terminlərinin əmələ gəlməsini şərtləndirdi. Ölçü şkalası üzrə bu aləmin obyektləri (şəkil 1.1) bir tərəfdən elementar zərrəciklər, atom və molekullar aləmi və digər tərəfdən makroaləm arasında yerləşməklə, kvant mexanikası qanunlarının işlədiyi aləm və klassik fizika qanunlarının işlədiyi aləm arasında aralıq və bağlayıcı bənddir. Buna görə də “mezoaləm” termini metodik olaraq daha düzgündür, belə ki, bu oblastın aralıq vəziyyətini əks etdirir, lakin “nanoaləm” termini daha çox məlumdur.
Klassik fizika aləmi – bu makroölçülər aləmidir. O, tədqiq edilən obyektlərin,proseslərin və hadisələrin orta, inteqral xarakteristikalarına söykənən qanunlarla işləyir. Bu obyektlər onları yaradan nəhəng sayda atom və molekullardan təşkil olunmuş və daxilən bircins və qeyri-bircins strukturlardan ibarətdir. Ən mükəmməl bircins strukturlarda öz xüsusiyyətləri və fərqlilikləri olan lokal qeyri-bircins oblastlar vardır, lakin obyektin böyüklüyü və həcmliliyi nəticəsində bütün lokallıqlar, fluktuasiyalar və qeyri-bircinsliklər tarazlanır, inteqrasiya edilir və ortalaşdırılır, inteqral xarakteristikalar və parametrlər isə obyekti və onun xassələrini bütövlükdə təsvir edir. Ətraf makroaləm üçün bu tamamilə təbii və qanunauyğundur. Bu aləm üçün müəyyən edilmiş bütün klassik fizika qanunları inkarolunmaz eksperimental verilənlərə söykənir və onların təsvir etdiyi şəraitlər üçün tamamilə ədalətlidir.
Atomlar, molekullar və elementar zərrəciklər aləmini təsvir edən kvant mexanikası qanunları da belə ədalətli və adekvatdır. Bu aləmdə bir tipli bütün obyektlər (məsələn, bir elementin atomları, elektronlar, pozitronlar və ya myuonlar) tamamilə eynidir və statistik olaraq tamamilə fərqlənməyəndir. Atomlar və molekullar haqqında bizim bütün təsəvvürlərimiz bunun üzərində qurulub. Obyektlərinin fərqlənməzliyi və eyniliyi onun təsviri üçün kvant mexanikasının, statistik fizikanın prinsiplərindən, müddəalarından və qanunlarından və bərk cisim fizikası aparatından tam həcmdə istifadə etməyə imkan verir.

Şəkil 1.1. Nanoaləm obyektlərinin ölçüləri şkalası

Nanoaləmdə başqa vəziyyət yaranır. Onun klassik fizika və kvant mexanikası sərhədlərində yerləşməsi nəticəsində nanoaləmin obyektlərinə artıq tamamilə eyni və statistik fərqlənməz kimi baxmaq olmaz. Onlar hamısı individualdır və bir zərrəcik digər zərrəcikdən tərkibi, quruluşu və bir çox başqa parametrləri ilə fərqlənir; obyektin strukturunda qeyri-bircinsliklərin və qeyri-müntəzəmliklərin olmasına laqeyd qalmaq və onun təsviri üçün, klassik fizikada qəbul edildiyi kimi, inteqral xarakteristikalardan istifadə etmək mümkün deyil.

Nanoaləm üçün xarakterik olan bir çox proseslər tarazlıq vəziyyətindən kənar şəraitlərdə baş verir, nanoaləmin obyektləri isə əksər hallarda xarici mühitlə maddə, enerji və informasiya ilə mübadilə edən açıq sistemlərdən ibarət olur. Bunun nəticəsində nanoaləmdə cərəyan edən proseslərin və fiziki hadisələrin təsviri üçün qeyri-xətti dinamika aparatını istifadə etmək, nanoaləmin obyektlərinin tədqiqi üçün isə fraktal fizikanın anlayışlarını və metodlarını istifadə etmək lazım gəlir. Ona görə də nanoaləmin təsviri üçün bir neçə həllə malik qeyri-xətti diferensial tənliklər sistemlərindən istifadə etmək lazımdır ki, bu da nanoaləm obyektlərinin təkamül problemləri ilə də məşğul olmaq zərurətinə gətirir, çünki bu təkamül ilkin şəraitlərin və parametrlərin dəyişməsindən (bəzən son dərəcə cüzi) asılı olaraq müxtəlif yollarla baş verə bilər.
Vakuum elektronikasından imtina və bərkcisim texnologiyasına keçid ona gətirdi ki, yarımkeçirici kristalda məhdudlanmış elektronlar selləri element bazasının yeni təkamül qolunun başlanğıcını qoydu. Kiçik kristaldaxili ölçülərlə birgə elektronların yürüklüyü – sürəti, ciddi atom sırası, yəni bərk cisim strukturu isə – mikromühitdə informasiya sellərinin təşkilini təmin edir. Lakin bunun üçün elə kristal (matris – elektron lampalardakı vakuumun analoqu) formalaşdırmaq lazımdır ki, onun atomları qəfəsdə demək olar ki, ideal yerləşsin və kristalın daxilində mürəkkəb fəza fiquru (elektron lampalardakı torların konstruksiya deyil, fiziki analoqu) yaradan aşqarlar verilmiş şəkildə paylansın.
Həmçinin səthdə kiçik ölçülü (elektron lampalardakı ayaqların analoqu) kommutasiya ayrılması yaratmaq lazımdır. Bundan əlavə, elektromaqnit sahəsinin yayılma sürəti ilə müqayisədə elektronların yüksək olmayan hərəkətliliyi arzuolunan hədd cəldliyi reallaşdırmağa imkan vermir. Elektrik siqnalının və, deməli, informasiyanın daşınması və ötürülməsi üçün elementar zərrəciklərin (elektronların) istifadəsi hazırlanan qurğuları əvvəlcədən aşağı cəldliyə məhkum edir. Yeganə çıxış yolu – siqnalın və informasiyanın daşınması məqsədilə elektromaqnit dalğalarından istifadə etməkdir. Belə cəldliyi reallaşdırmaq və “optik kompüter” adını almış qurğunu yaratmaq – optoelektronikanın məqsədlərindən biridir.
Minlərlə ağıllı fənd və onlarla mürəkkəb fiziki hadisə mikroelektronikanın yalnız bünövrəsini təşkil edir. Elə bir fənd və ya hadisə yoxdur ki, onun mahiyyətini kifayət qədər ifadə etsin. Praktiki olaraq istənilən qarşıda qoyulan məqsədə nail olmaq üçün mikroelektronikanın element bazasını ən müxtəlif fiziki hadisələrin əsasında reallaşdırmaq və ən müxtəlif materiallardan istifadə etmək olar: yarımkeçirici, ifratkeçirici, maqnit və ya optik. İnformasiyanın emalı və ötürülməsi proseslərini müxtəlif fiziki hadisələrin və effektlərin köməyi ilə reallaşdırmaq olar. Bu zaman yeganə prinsip – bərk cismin mikroskopik kiçik oblastlarında informasiya siqnallarının emalı prinsipi saxlanılmalıdır ki, burada müasir texnologiya vasitələri tərəfindən elektron xassələrin müəyyən paylanması yaradılıb.
Elektronika elementlərinin nanometrlik diapazonlu ölçülərinin texnoloji mənimsənilməsi zamanı nə baş verir? Nanofazalı materialın ölçülərinin bu və ya digər fiziki obyekt və ya hadisə (dreyf uzunluğu, domenin ölçüsü və s.) üçün olan xarakterik ölçülərlə müqayisə edilə bilməsi müxtəlif ölçü effektləri yaradır, nanozərrəciklərin artan səthi enerjisi isə ultradispers halda olan materialları metastabil vəziyyətə gətirir. Məsələn, nanometrlik ölçülü səthi strukturlar üçün lokal elektrik sahələrinin gərginlikləri (intensivliyi) atomdaxili sahələrə (E = 10⁸...10⁹ V/sm) yaxınlaşır; bu zaman elektron-zona strukturunun dəyişmə effektləri üzə çıxmağa başlayır. Atomlararsı məsafə dəyişə və kristal strukturun amorf vəziyyətə keçməsinə qədər kristal strukturun yenidən qurulması baş verə bilər.